JPH02212350A - 生体材料とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、新規なウィスカー複合型焼結体から成る生体
材料、さらに詳しくは、生体親和性の優れたリン酸カル
シウムをマトリックスとし、ウィスカーによって１強度
的に強化された、人工骨や人工歯根の材料をして好適な
生体材料及びその製造方法に関するものである。

従来の技術 水酸アパタイトやリン酸三カルシウムなどのリン酸カル
シウム系材料は、毒゛性がなく、その焼結体は生体内に
おいて骨と結合しやすい上に、漸次消失して新生骨と容
易に置換されるので、人工骨や人工歯根のような生体硬
組織代替材料として利用されているが、このリン酸カル
シウム系焼結体は、機械的強度や靭性を欠くため、欠損
部に適合した形状に成形し、生体内に嵌植し、埋込む場
合に欠けたり、折れたりして実用上必ずしも満足しうる
ものとはいえない。

このような欠点を改善したものとして、例えばアパタイ
トを繊維状又は針状とし、さらに鉱物系繊維材料で強化
したものや（特開昭５９−５７９７１号公報）、ムライ
トのウィスカーをアパタイトの焼成時に同時に析出させ
て複合強化したもの（特開昭６２−１６２６７６号公報
）が提案されている。

しかしながら、前者においては、繊維状又は針状のアパ
タイトを得ることが非常に困難であり、これと親和性の
ある鉱物系繊維材料を別に準備しなければならないし、
またアパタイトを鉱物系繊維材料と密接して加圧下に８
００℃未満の低温度で水分の逃失を実質的に防止する条
件下で焼成するという煩雑な操作を要し、しかも低温焼
成であるため相対密度が低いという点で実用上解決しな
ければならない問題点が多い。

一方、ムライトウィスカーを析出させる後者の場合であ
っても、単にウィスカーを析出させるのみでは、強度が
十分でなく、特に靭性が低いことにより、埋入時に割れ
や欠けの問題が生じることがあった。

発明が解決しようとする課題 本発明は、前記した従来のリン酸カルシウム系焼結体が
もつ欠点を克服し、高強度、特に高靭性を有するウィス
カー複合型焼結体から成る生体材料を提供することを目
的としてなされたものである。

課題を解決するだめの手段 本発明者は、ウィスカーで強化されＩ；高強度、高靭性
のウィスカー複合型焼結体から成る生体材料を得るため
に鋭意研究を重ねた結果、リン酸カルシウム系結晶をマ
トリックスとし、マトリックスの粒径、マトリックスと
ウィスカーの大きさの比、ウィスカーの長径及びアスペ
クト比等を所定範囲に規定することにより、その目的を
達成しうろことを見出し、この知見に基づいて本発明を
なすに至った。

すなわち、本発明は、リン酸カルシウム系結晶をマトリ
ックスとし、無機質ウィスカーを分散体とした複合型焼
結体から成り、かつマトリックスの結晶粒径が０．０５
〜３０μ屑、マトリックスの粒径とウィスカーの長径と
の比がｌＯ〜０．１１　ウィスカーの長径が０．０５〜
２０００μｍ及びウィスカーのアスペクト比が１．２〜
１００の範囲にある生体材料を提供するものである。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明のリン酸カルシウム系結晶のダレインから成るマ
トリックスは、通常０．０５〜３０μ票、好ましくは０
．１−１０μ屑、より好ましくは０．２〜５．０μｍの
粒径を有する。この粒径がこれよりも小さすぎると製造
上困難であり、またこれよりも大きすぎると強度が著し
く低下する。

また、結晶粒径が小さい場合は高い強度が得られやすい
が、５．０μｍを超える比較的大きな結晶粒径を有する
場合には結晶粒径を揃えることにより必要な強度が得ら
れる。結晶粒径を揃えるには、マトリックス原料を高純
度化して原料の混合前に仮焼し、粉砕し、さらに原料粉
末を分級するなどの方法が用いられる。この際の仮焼温
度は、通常５００〜１５００°Ｃの温度範囲で選ばれる
。粉砕方法としては、特に制限されないが、例えばボー
ルミル法、振動ミル法１．アトライタ（アトリションミ
ル）法などを挙げることができる。分級方法としては、
特に制限されないが、例えばメツシュふるい等のふるい
によるふるい分は法、空気分級法などを挙げることがで
きる。

次に無機質ウィスカーとしては、例えば炭化ケイ素ウィ
スカー、炭化ホウ素ウィスカー、窒化ケイ素ウィスカー
、カーボンウィスカー、アルミナウィスカー、ジルコニ
アウィスカー又はカルシウムシリケート系、アルミニウ
ムシリケート系、アルミニウムシリケートカルシウム系
、カルシウムシリケートマグネシウム系、カルシウムア
ルミネート系又はマグネシウムシリケート系のウィスカ
、窒化ケイ素ウィスカー、あるいは金属ウィスカーなど
が挙げられる。中でも生体親和性の点で炭化物系材料や
窒化物系材料よりも一般に酸化物系材料によるウィスカ
ーが好ましい。特に、酸化カルシウム、酸化ケイ素、酸
化アルミニウム及び酸化マグネシウムの中から選ばれた
無機酸化物の少なくとも１種を含有するウィスカーが好
ましく、更にはアルミナウィスカー、ジルコニアウィス
カーに比べて、アルミニウムシリケートカルシウム系材
料及びカルシウムシリケートマグネシウム系材料、カル
シウムシリケート系材料がより好ましい。アルミニウム
シリケートカルシウム系のウィスカーとしては、アノー
サイトウィスカー、カルシウムシリケートマグネシウム
系ウィスカーとしては、ディオプサイドウィスカー、カ
ルシウムシリケート系ウィスカーとしては、ウオラスト
ナイトウィスカーなどである。これらの中では、ディオ
プサイドウィスカーやアノーサイトウィスカーが最も好
ましい。

このウィスカーは、通常、長径０．０５〜２０００μｍ
、好ましくは０．０５〜１００＃肩、より好ましくは０
．２〜３０μ瀧、さらに好ましくは０．２〜１５μ載短
径０．０５〜１００μ肩、好ましくは０．０５〜５μ肩
、また、アスペクト比は通常１．２〜１００、好ましく
は１．２〜５０、より好ましくは２〜２０、さらに好ま
しくは５〜１５である。

長径がこれよりも短かすぎるとウィスカーとしての機能
が不十分であるし、またこれよりも長ずざると焼結時の
マトリックスの粒成長や、高密度化により歪みを生じや
すい。また、アスペクト比がこれよりも小さすぎるとク
ラックデフレクションやプルアウトのウィスカーとして
の機能が不十分であるし、またこれよりも大きすぎると
歪みを生じやずい。

また、マトリックスとウィスカー長径との比は通常ｌＯ
〜０．１１好ましくは５〜０．１．より好ましくは１．
４〜０．２、さらに好ましくは１．０〜０．２である。

この比がこれよりも大きすぎると、すなわちマトリック
スに対してウィスカー長径が小さすぎるとクラックを止
めたり折り曲げたりするクラックデフレクションの効果
が低下するし、ウィスカーとしての機能が不十分となり
、高強度化の作用をなさない。逆にこの比がこれよりも
小さすぎるとすなわち、マトリックスに対してウィスカ
ー長径が大きすぎると焼結時にマトリックスの粒成長や
高密度化を妨げたり歪みを生じやすく、強度が低下する
のを免れない。

セラミックス材料中の無機質ウィスカーの含有量は、通
常帆５〜９５重量％、好ましくは１〜７０重量％、より
好ましくは５〜６０重量％、さらに好ましくは５〜４０
重量％の範囲で選ばれる。ウィスカーの使用量がこれよ
りも少なくなると圧縮強度や靭性等の機械的強度が劣化
し、加工性や作業性が低下するし、またこれよりも多く
なるとリン酸カルシウムの望ましい性質、例えばアパタ
イトの人工骨材としての生体親和性などが低下し、ある
いは損なわれる傾向を免れない。

ウィスカーが酸化物系である場合は、生体親和性はそれ
ほど低下しない。また、非酸化物系ではその添加量が多
いと生体親和性が劣化するので、添加量は３０％以下が
好ましく、さらに１０％以下がより好ましい。ウィスカ
ーが生体親和性を示すもの、例えばカルシウムシリケー
ト、カルシウムマグネシウムシリケート、カルシウムア
ルミニウムシリケートなどである場合には、前記ウィス
カー含有量は９９重量％まで高めることができる。

本発明の生体材料を製造する方法としては、例えば無機
質ウィスカー生成成分（以下ウィスカー原料という）を
マトリックスとなるリン酸カルシウム系化合物と混合し
、これを焼成することによリウイス力−を析出させる方
法（析出法）、あらかじめ生成済みの無機質ウィスカー
をリン酸カルシウム系化合物と混合し、これを焼成する
方法（混合法）などが挙げられる。析出法に比べ混合法
による場合は、使用しうるウィスカーの自由度が大きい
という利点があるが、ウィスカーとマトリックスとの密
着性、高強度・高靭性化及び生体親和性の点では析出法
による場合の方がより好ましい。

本発明方法に用いるリン酸カルシウム系化合物としては
、例えばアパタイトやリン酸三カルシウム、フッ化アパ
タイトなどが挙げられ、このものは単独で用いてもよい
し、また２種以上の混合物として用いてもよい。これら
の中で特にアパタイトが好ましく、アパタイトとしては
、乾式法又は湿式法による合成アパタイトでもよいし、
各種を推動物の骨、歯から回収された生体アパタイトで
もよい。例えば、乾式法としては、９００〜１３００°
Ｃの高温下の水蒸気気流中でリン酸カルシウムと過剰の
ＣａＯを反応させる方法等が挙げられる。

本発明で用いるリン酸カルシウム系化合物は、カルシウ
ム対リンの原子比（Ｃａ／Ｐ）が１．６５以上、１．７
５以下の範囲の水酸アパタイトであることが特に好まし
い。

上記Ｃａ／Ｐの範囲が１．６５未満の場合には、ウィス
カー又はウィスカー原料や後述の中間層生成成分の一部
が水酸アパタイトなどに一部固溶してウィスカーの組成
が変ってしまうため、ウィスカーが十分析出しなくなっ
たり、リン酸三カルシウムが一部生じ、ひずみ発生・強
度劣化や生体親和性劣化の傾向が生じる。

これらのリン酸カルシウム系化合物は、一般に０．１−
１０００μ暑の粉末又は０．１〜３ｍｍ程度の顆粒状で
用いられる。

本発明の生体材料を前記析出法により製造するには、ウ
ィスカー原料を、リン酸カルシウム系化合物とウィスカ
ー原料の合計量すなわち原料全量に対するウィスカー原
料の含有量比で、通常０．５〜９５重量％、好ましくは
１〜７０重量％、より好ましくは５〜６０重量％、さら
に好ましくは５〜４０重量％の範囲で使用し、これをリ
ン酸カルシウム系化合物に加え混合し、次いで、この混
合物を８００〜１６００℃の温度で焼成するのが一般的
である。

このように上°記範囲内の各成分の使用量の選択により
、ウィスカー含有量が帆５〜９５重量％である複合焼結
体が得られる。

このウィスカー原料、すなわち焼成条件下でウィスカー
に変換し、ウィスカーを生成しうるものとしては、例え
ば酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸
化アルミニウムなどのほか、焼成条件下でこれらの化合
物に変換しうるもの例えば炭酸塩、重炭酸塩、水酸化物
なども用いられる。これらのものの使用割合としては、
所定のウィスカーに相当するものであればいずれでもよ
いが、例えばディオプサイドウィスカーを生成させる場
合には、酸化カルシウムを１モルとしたとき、酸化マグ
ネシウム０．０５〜１４．０モル、好ましくは０．５〜
５モル、より好ましくは０．８〜２．５モル、シリカ０
．０５〜ｌＯモル、好ましくは２〜５モル、より好まし
くは２〜３モルの範囲になるように選択される。この場
合、それぞれ個別に加える代りに、ウィスカー自体を構
成する組成物、例えば前記のモル比のディオプサイド組
成成分、代表的には組成式Ｃａ０・２ＳｉＯ，・ＭｇＯ
に相当するディオプサイド成分などとして加えることも
できる。

これらの成分は、リン酸カルシウム系化合物と同じよう
に粉末状又はか粒状で用いられる。

このような原料を用いて、複合型焼結体、例えばリン酸
カルシウム系結晶５〜９５重量％とディオプサイド５〜
９５重量％とから成るもの等が得られるが、焼成に際し
副生ずるマトリックスやウィスカーも所期の効果を損な
わない限り許容される。例えば上記例示の場合、副生ず
るα−リン酸三カルシウムや、他の成分、例えばディオ
プサイドウィスカーにおいては７オルステライト、ウオ
ラストナイトなどを少量含有している。

この複合型焼結体においてマトリックスを形成するリン
酸カルシウムは結晶として存在し、ウィスカーは、この
マトリックス中に分散状態で存在する。

本発明の生体材料を前記混合法により製造するには、前
記析出法で用いたウィスカー原料の代りにあらかじめ生
成させたウィスカーを用い、これをリン酸カルシウム系
化合物に加え混合し、次いでこの混合物を８００〜１６
００℃の温度で焼成するのが一般的である。この生成済
みウィスカーとしては前記した各ウィスカーを用いるこ
とができ、前述のように生体親和性の点からは酸化カル
シウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、及び酸化マグ
ネシウムの中から選ばれた無機酸化物の少なくとも１種
を含有するウィスカーが好ましく、中でもディオプサイ
ドウィスカーやアノーサイトウィスカーが好ましい。な
お、生成済みウィスカーのサイズは、通常前記セラミッ
クス材料中のウィスカーサイズと同等のものである。こ
のウィスカーの使用量は、原料混合物全量に対し、通常
０．５〜９５重量％、好ましくは１〜７０重量％、より
好ましくは５〜６０重量％、さらに好ましくは５〜４０
重量％の範囲で選ばれる。

これらの製造法において、各原料を混合する際に原料を
均一に分散させるため分散剤を用いるのが好ましく、こ
のようにして調整された混合物を常法例えばプレス成形
法、スリップキャスティング法などにより所望の形状に
成形し、乾燥後、上記のように焼成するのが好ましい。

このような分散剤としては、例えばカルボン酸塩型やス
ルホン酸塩を等のアニオン界面活性剤などが挙げられる
。

このようにして、リン酸カルシウム系結晶マトリックス
が生成するか、又はこのものとウィスカーが同時に生成
し１．リン酸カルシウム系結晶マトリックス中にウィス
カーが分散して含有された複合型焼結体から成り、マト
リックスやウィスカーについて所定の適正値を有する生
体材料が得られる。

発明の効果 本発明の生体材料においては、リン酸カルシウム系化合
物の望ましい性質、例えばアパタイトの人工骨材として
の生体親和性などを保持したまま、マトリックスの粒径
を小さく制御することにより強度を上昇させ、ウィスカ
ーの大きさを規定すること、すなわち、その長径やアス
ペクト比やマトリックス粒径と長径との比を所定範囲と
することによりこ焼成時に起こるひずみを低減させるこ
とができ、さらにウィスカーを局在化することなく、グ
レインバンダリー（粒界）やダレイン中に存在させるこ
とができ、クラックを防止したり、あるいはその成長を
遅らせて靭性を向上させることができ、その結果として
破壊エネルギーを向上させることができる。

このように、本発明の焼結体は高強度及び高靭性を付与
しうるので、人工骨材、人工歯根、人工関節材などとし
て整形外科や歯科や口腔外科の治療用に広く適用するこ
とができる。

また、本発明の方法によれば、生体材料に簡単に効率よ
く高強度及び高靭性を付与しうるという顕著な効果を奏
する。

実施例 次に実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。

焼結体の相対密度（気孔率）、曲げ強度及び靭性の測定
方法は以下のとおりである。

（１）　　相対密度（気孔率） 試料の焼結密度をアルキメデス法により測定し、また焼
結体を粉砕して得た粉体（５ｍ”／ｇ）の真密度を測定
した。

（２）曲げ強度 試料を３Ｘ４Ｘ４０ｍｍに切り鏡面研摩し、３点曲げ試
験、スパン距離３６＋＊＋ｘ、クロスヘツドスピード０
．５ｍｍ／ｍｉｎにより測定した（ｎ＝ｌＯ）。

（３）破壊靭性値（ＫＩＣ）はＡＳＴＭ規格に基づき測
定した。

なお、各表中の添加量はＨＡＰとウィスカーの合計量に
対するウィスカー原料又はウィスカーの添加量比である
。

実施例１−１２、比較例１，２ 第１表に示す組成の水酸アパタイトとウィスカー原料を
分散剤［商品名：サン　ノプコ　リミテッド（ＳＡＮ　
Ｎ０ＰＣＯＬｉｍ１ｔｅｄ）族ＳＮデイスパーサント５
０４５ＨＡ　Ｐとウィスカーの合計量に対し１０５重量
％］どともにボールミルで１時間混合し、スラリーを定
性ろ紙によりろ過し、１２０℃で５時間乾燥し、金型（
４０Ｘ　５０＋＋＋＋＊）で５０ｇを成形圧３００＃ｇ
／　ｃがで成形した。このようにして得た成形体を第１
表に示す温度で２時間焼成して、生体材料を得た。

なお、前記水酸アパタイトはカルシウムとリンの原子比
（Ｃａ／Ｐ）が１．６７のものを用いた。また、実施例
９及びｌＯについては、ＨＡＰｉ料として混合前に１１
００°Ｃで仮焼し、ボールミルで２４時間粉砕し、粒径
を均一に揃えたものを用いた。

このようにして得た生体材料は第２表に示すマトリック
ス粒径、ウィスカー長径、アスペクト比及びマトリック
ス粒径／ウィスカー長径を有する。

これらの生体材料の相対密度、曲げ強度及び靭性（Ｋ、
Ｃ）を測定した結果を第２表に示す。

また、本発明の範囲外の比較例も同様に第１表及び第２
表に示した。

実施例１３ 第３表に示す組成の水酸アパタイト粉末（７が７ｇ）と
アルミナウィスカー（長径２μ、アスペクト比１０）を
分数剤（前記ＳＮデイスパーサント５０４５ＨＡＰとウ
ィスカーの合計量に対し０．０５重量％）とともにボー
ルミルで１時間混合し、スラリーを定性ろ紙によりろ過
し、１２０℃で５時間乾燥し、金型プレ゛ス（４０Ｘ　
５０＋ｉｍ）で成形圧２００ｋｌ？／　ｃｒｍ”で成形
した。得られた成形体を１３５０°Ｃで２時間焼成して
、焼結体を得た。

このようにして得た焼結体の曲げ強度及びに、Ｃを測定
した結果を第３表に示す。

実施例１４ カルシウムとリンの原子比（Ｃａ／Ｐ）を変えた水酸ア
パタイトとウィスカー原料を分散剤（前記ＳＮデイスパ
ーサント５０４５ＨＡＰとウィスカーの合計量に対し０
．０５重量％）とともにボールミルで１時間混合し、ス
ラリーを定性ろ紙によりろ過し、１２０℃で５時間乾燥
し、金を（４０Ｘ５０ＩＩ＋ｍ）　テ５０９　ヲＩＲ形
圧３００ｂｇ／　ｃｒｐｒ”で成形しｔ；。

このようにして得た成形体を第４表に示す温度で２時間
焼成して、生体材料を得た。

これらの生体材料のマトリックス粒径、ウィスカー長径
、アスペクト比、マトリックス粒径／ウィスカー長径、
相対密度、曲げ強度及び靭性（ＫＩＧ）を測定した結果
を第５表に示す。

Ｃａ／Ｐ比が１．６５以上の水酸アパタイトを用いた生
体材料Ｎｏ、　ａ　、　Ｎｏ、　ｂは、Ｎｏ、ｃの生体
材料に比ベライス力−の析出塵が良くより好ましい曲げ
強度、高靭性を有していた。

実施例１５ ＢＥＴ値８ｈ”／９のＨＡＰと長径３　ｐ　ｍｓアスペ
クト比１５のＳｉＣウィスカー２０重量％を分散剤（前
記ＳＮデイスパーサント５０４５ＨＡＰとウィスカーの
合計量に対し０．０５重量％）とともにボールミルで１
時間混合し、実施例１と同様に成形した。

この成形体を１２００°Ｃで２時間焼成して、生体材料
を得た。

得られた生体材料は、マトリックス粒径−３μｍ１ウイ
ス力−長径絢３μｍ１アスペクト比−１５、マトリック
ス粒径／ウィスカー長径−１０、相対密度−９９，０で
あった。

この生体材料は、ＨＡＰのみの焼結体に比し、曲げ強度
では１５％向上していた。しかしながら、動物骨に埋入
した場合の新生骨の生成では実施例１−１２の生体材料
よりもやや劣っていた。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　リン酸カルシウム系結晶をマトリックスとし、無機
   質ウィスカーを分散体とした複合型焼結体から成り、か
   つマトリックスの結晶粒径が０．０５〜３０μｍ、マト
   リックスの粒径とウィスカーの長径との比が１０〜０．
   １、ウィスカーの長径が０．０５〜２０００μｍ及びウ
   ィスカーのアスペクト比が１．２〜１００の範囲にある
   生体材料。 ２　リン酸カルシウム系結晶がアパタイト系のものであ
   る請求項１記載の生体材料。 ３　リン酸カルシウム系結晶が、カルシウム対リンの原
   子比（Ｃａ／Ｐ）１．６５ないし１．７５の水酸アパタ
   イトである請求項１又は２記載の生体材料。 ４　リン酸カルシウム系化合物と無機質ウィスカー生成
   成分を混合し、８００〜１６００℃で焼成することによ
   りウィスカーを析出させることを特徴とする請求項１記
   載の生体材料の製造方法。 ５　リン酸カルシウム系化合物と、長径０．０５〜２０
   ００μｍ、かつアスペクト比１．２〜１００の無機質ウ
   ィスカーとを混合し、８００〜１６００℃で焼成するこ
   とを特徴とする請求項１記載の生体材料の製造方法。